轻质夹芯主动冷却防护结构的热力耦合机理及优化设计研究

Actively cooled thermal protection system is an effective way to solve the problem of thermal protection of high-speed aircraft because it owns high cooling capacity, resistance of long time high heat flux heating. In this sense, to satisfy the developed requirments of high-speed aircraft,this proposal brings forward such fundamental research of combination of advanced actively cooling technologies through sandwich cores and thermal protection structures and of their optimization designs. In the proposal, numerical and experimental investigations will be performed for performance evaluation of thermal protection,thermal and mechanical coupling mechanism, optimizations of macrostructures and microstrutures. The effective thermal conductivity of materials will be also measured. Finally, in order to valid the computations and optmizations and to support real engineering applications, the actively cooled matellic thermal protection structures will be designed and manufactured, and then be tested by the experimental systems. The novel features of the proposal are that introduction of advanced actively cooling technologies through sandwich cores and optimization designs of thermal protection structures,and that development of coupling algorithm to investigate thermal and mechanical coulping mechanism, and that development of optimziation algorithm to achieve lightweight models of macrostrutures and microstrutures. The proposal aims at not only researching the fundamental issues in the fields of aerodynamics, thermodynamics,mechanics and structural optmization, but also extending applications of actively cooling technologies and optimization technologies into the actively cooled thermal protection structures.It is expected that the findings will have important significance for realism references.

主动冷却热防护系统以其冷却能力强、抵抗高热流密度的长时间加热等优点成为解决高超声速飞行器防热问题的有效方法之一。为此，本项目提出夹芯主动冷却技术与热防护结构相结合及其结构优化这一基础研究课题。拟采用理论计算与实验分析相结合的方法对夹芯主动冷却热防护结构的防热性能评价、热力耦合机理、宏观结构优化和微细观结构优化进行研究；试验测量多孔隔热材料在不同温度和压力下的有效热导率，设计和制造主动冷却金属热防护结构并实验测试其整体性能，为实际工程应用提供数据支持。本项目特色在于将夹芯主动冷却方式引入到热防护结构中，发展耦合计算技术揭示耦合环境下主动冷却热防护结构的热力耦合机理；发展优化设计技术得到宏观结构和微观结构的轻质化构型。该项目不仅探索了其中气动力学、传热学、固体力学与结构优化的基础问题，对拓宽主动冷却技术及优化设计技术在主动冷却热防护结构的应用也具有很强的指导意义。

空天飞行器飞行速度越来越快，其外表面遭受的温度越来越高，这对飞行器外表面热防护系统提出了严苛的要求。为了实现飞行器外表面低温、轻质的要求，本项目对夹芯结构、多层结构、主动冷却结构以及这几种结构相结合的情况进行了研究分析和优化设计。采用理论分析与仿真计算相结合的方法对各类结构的防热性能、热力耦合机理、宏观结构优化和微细观结构优化进行研究。在多层结构方面，对由两种材料组成的结构的铺层顺序的影响进行了研究，探索了几种材料结合起来对结构性能的影响；对多层隔热层的厚度进行了优化设计，在满足性能要求的前提下，Q-fiber和Glass-Wool的材料组合优化后比优化后的只用Saffil纤维材料单位面积质量减少27%，厚度减少了20.59mm；设计了隔热层与反射屏的组合结构，研究了反射屏的数量、分布、位置对隔热效果的影响；对热管结构进行了研究，翼前缘结构的驻点温度下降了383K，结构的温度差减少了近500K，实现了结构温度的均匀化，此外，还研究了热管的半楔角、设计长度等参数对于热管温度的影响。在夹芯结构方面，对波纹夹芯结构进行了研究，对以单胞为研究对象，对结构进行了热力耦合分析；对波纹夹芯结构进行了优化设计，优化后的机构单位面积质量比优化前减少了37%；对金字塔点阵结构进行了热力耦合分析，并与波纹夹芯结构进行了对比。在主动冷却研究方面，研究了波纹夹芯主动冷却结构，对其进行了流动换热分析，研究了入口速度和流向对温度分布的影响，对其进行了热力耦合分析，发现结构的应力值远低于材料的极限值，有较大的设计潜力。本项目较好地完成了在多层结构、主动冷却技术、结构优化设计技术等方面的探索，对空天飞行器热防护系统设计具有科学的指导意义。